JP3704941B2

JP3704941B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP3704941B2
Application number: JP8457498A
Authority: JP
Inventors: 広昭為本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: JPH11284234A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種インジケータ、ディスプレイ、光プリンターの書き込み光源やバックライト用光源などに利用可能なＬＥＤチップを用いた発光装置に係わり、特にＬＥＤチップからの光取り出し効率をより向上させた発光装置を提供することにある。
【０００２】
【従来技術】
今日、種々の光源として利用されているものの一つにＬＥＤチップが挙げられる。ＬＥＤチップは半導体発光素子であり玉切れがなく、ON/OFF駆動特性に優れている。また、低消費電力であり、単色性ピーク波長を持つため種々の分野に利用されている。このようなＬＥＤチップは通常、約３００μｍ角程度と極めて小さい。そのため搭載基板への配置、電気的接続など取扱い易さや光利用効率を向上させる目的などから、外部との導通が可能なリード電極が埋め込まれたパッケージ内部にＬＥＤチップを配置させたチップタイプＬＥＤなどが利用されている。
【０００３】
具体的には図４の如く、ＬＥＤチップ４０３を外部から保護する外囲器として液晶ポリマ中にリード電極４０５が埋め込まれたパッケージ４０７が用いられている。パッケージ４０７には凹部があり、内部にリード電極４０５の一部が露出してある。露出したリード電極４０５の一部と、パッケージ内部にダイボンド樹脂４０６で固定されたＬＥＤチップ４０３の電極とは金線４０４などによって電気的導通が取られている。パッケージ４０７の凹部内にはＬＥＤチップ４０３を保護するために透光性エポキシ樹脂４０２で被覆されてある。こうして形成されたチップタイプＬＥＤ４００に電流を供給すると、ＬＥＤチップ４０３が発光し、ＬＥＤチップ４０３から透光性封止材４０２を介してチップタイプＬＥＤ４００の外部へ直接、或いは一旦パッケージの底面や側面に反射してパッケージの外部へ光が放出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＥＤチップ４０３が発光した光の内、パッケージ４０７の凹部底面側に向かった光は、平滑な金属リード電極４０５や平滑なパッケージの底面により反射され透光性エポキシ樹脂４０２を介して発光装置の外部に効率よく取り出される。
【０００５】
しかしながら、低消費電力でより高い光取り出し効率が求められる今日においては、上記構成の発光装置では十分ではなく更なる光取りだし効率の向上が求められている。したがって、本発明は上記問題点を解消し、より光取りだし効率の高い発光装置を形成したものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リード電極を備えたパッケージと、そのパッケージの凹部の底面に配されたＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップからの光を散乱させる光散乱層とを有する発光装置において、上記光散乱層は、光散乱材が含有された樹脂からなり、上記凹部にて露出されたリード電極の表面および上記凹部の底面から側面にかけて、上記底面から上記ＬＥＤチップの発光層までの高さよりも薄い厚みで配されていることを特徴とするものである。この比較的簡単な構成によって、ＬＥＤチップから放出された光を効率よく前面に反射するパッケージ底面やリード電極の表面と、透光性封止材により全反射された光を散乱・拡散させ効率的に外部に取り出す光散乱層とに機能分離させる。これにより発光装置からの光取りだし効率を高めるものである。即ち、ＬＥＤチップから放出される光は、本来、鏡面上での反射率が高い。しかしながら、透光性封止材によりＬＥＤチップからの光が全反射され閉じ込められるものがある。本発明は、ＬＥＤチップの真下方向は平坦な反射面とすると共に透光性樹脂によって全反射される光を光散乱層で散乱・拡散させたものである。
【０００７】
さらに、上記ＬＥＤチップは、ダブルへテロ構造を有し、上記光散乱層は、さらに上記ＬＥＤチップの端面を被覆することが好ましい。これにより、ＬＥＤチップの発光層の端面より放出される発光輝度を低下させることがない。また、臨界反射される光を選択して外部取りだし効率を高めることができる。
【０００８】
本発明の発光装置は、上記光散乱層がＬＥＤチップの発光色と略同一に着色されていることが好ましい。これにより、パッケージ内においてＬＥＤチップが点状に発光することがない。つまり、非点灯時と同様に点灯時においても開口部全体にＬＥＤチップが配置されている如く発光部をより大きく観測することができる。
【０００９】
上記光散乱材は、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化亜鉛、金属片あるいは蛍光体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。あるいは、上記光散乱材は、メラミン樹脂、グアナミン樹脂あるいはベンゾグアナミン樹脂から選択される少なくとも一種であることが好ましい。これによって、光取りだし効率を飛躍的に向上させ得る発光装置とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者は種々の実験の結果、ＬＥＤチップが配置されるパッケージの底面にＬＥＤチップからの光を散乱させる光散乱層を配置することによって発光効率が急激に良くなることを見出し、本発明を成すに至った。
【００１１】
即ち、本発明はＬＥＤチップから放出される光の行路によって発光装置の構造を変えることにより光取りだし効率を高めたものである。
【００１２】
より具体的に述べれば、図２は本発明と比較のために示した発光装置の一例でＬＥＤチップより臨界角以上の角度θで出射された光の経路を模式的に示したものである。模式的に見たＬＥＤチップの発光点２０３より出射された臨界角以上の角度を有する光２０８は、透光性封止材２０２と外部との界面で入射角と同一角度で対称方向に臨界角反射される。臨界角反射された光２０９はリード電極やパッケージ底面に入射し、この表面にて入射と同一角度で対称方向に反射される。
【００１３】
この光２１０は再び同一角度で透光性封止材と外部との界面に入射し、臨界角反射してパッケージ内部方向に向かう。このように、パッケージの底面或いはリード電極に角度的な変化がなく実質的に平滑面である限り、臨界角以上でＬＥＤチップより出射された光２０８の行路は透光性封止材２０３の内部を透過し、透光性封止材２０２の界面及びリード電極やパッケージ底面での反射を繰り返す。この間、透光性封止材２０２の透過率やリード電極、パッケージ底面の反射率が完全に１であるものがない。そのため、透過、反射が各１回繰り返されるたびに（１−透過率×反射率）で光が吸収、消滅してしまう。樹脂透過率は高いものでも約９０％程度、反射率も高反射金属部材でも約９０％程度であるため、３回透過反射を繰り返せば臨界角以上の出射光のうち５０％以上の光が消滅する。
【００１４】
図３は本発明の発光装置において、図２と同様にＬＥＤチップより臨界角以上の角度で出射された光の行路を模式的に示したものである。
【００１５】
模式的に見たＬＥＤチップの発光点３０３から臨界角以上の角度θで出射された光は、透光性封止材３０２と外部との界面で臨界角反射され内部に向かい、散乱・拡散反射性を有する光散乱層３０１に達する。光散乱層３０１に達した光は、散乱・拡散及び反射して半球状の光の行路３１０に散乱反射する。散乱光のうち臨界角以下の光３０２は、そのまま透光性封止材３０２から外部に取り出される。また、散乱光の臨界角以上の光も透光性封止材３０２と外部との界面で臨界角反射するものの、再び光散乱層３０１に到達すれば上述と同様に散乱・拡散反射される。そのため臨界角反射した光の大部分は外部に取り出される。
【００１６】
一方、ＬＥＤチップ３０３から真下方向に向かった光３１１は、平坦な面で効率よく反射され透光性封止材３０２を介して外部に取り出される。このように本発明では、一旦ＬＥＤチップ３０３から放出された光のうちＬＥＤチップが配置されたパッケージ底面側方向に向かう光及びパッケージ側壁方向に向かう光をそれぞれ別々に有効利用することにより発光効率を高めたものである。なお、本発明での臨界角とは透光性封止材と外部空間の間の臨界角αを指し、次のように定義される。臨界角α＝Ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ₁）、ここで、ｎ₁＝透光性封止材の屈折率、ｎ₂＝外部空間の屈折率である。
【００１７】
また、ＬＥＤチップがダブルへテロ構造のＬＥＤチップでは電流を閉じ込めるために半導体の組成を変えてある。そのため、発光層と、発光層を挟んだクラッド層との屈折率が異なる。このことから発光層で生じた光が一種の導波管の如き役割を果たす。そのため、発光層の端部から放出される光が多くなる。この端部から放出される光を有効に利用できるかどうかが、光利用効率に大きく寄与することとなる。
【００１８】
さらに、窒化物半導体を利用したＬＥＤチップは結晶成長が難しいこと、窒化物半導体の物性から一般にサファイア上に形成される。このため、サファイア基板上に形成された半導体積層面側に正極及び負極の電極を形成する。また、発光層上のほぼ前面を覆う全面電極を形成する。このようなオーミック接触を取れる電極材料は限られており、この金属電極層を介して光が取り出される。金属電極層を薄膜とすることによって透光性を持たせているため、どうしても金属電極層に反射される光がある。そのため、窒化物半導体を利用したＬＥＤチップは横方向の光の漏れが大きくなる傾向にある。以下、本発明の一実施形態を示す。
【００１９】
発光装置の製造は、先ずパッケージの凹部内に発光素子としてＡｌＧａＩｎＰからなるＬＥＤチップをダイボンド機器を用いてＡｇペーストでマウントする。なお、Ａｇペーストと接触するＬＥＤチップの裏面電極は平滑かつＬＥＤチップの光を効率よく反射する金属電極とさせてある。マウントされたＬＥＤチップの発光面側の電極とパッケージのリード電極とをワイヤボンディング機器を用いてワイヤボンドさせる。次に拡散材が混入された樹脂をＬＥＤチップ周辺のパッケージの凹部内に注入する。
【００２０】
拡散材は注入後、流動してパッケージの底面を覆う。拡散材含有の樹脂を硬化させた後、透光性封止材の樹脂を注入硬化させて本発明の発光装置が完成する。これによって、光取りだし効率の高い発光装置とすることができる。以下、本発明の構成部材について詳述する。
【００２１】
（光散乱層１０１）
本発明の光散乱層１０１とはＬＥＤチップ１０３から横方向のベクトルを持って放出された光を透光性封止材１０２内で導波させることなく外部に取り出すためのものである。したがって、ＬＥＤチップ１０３の周辺に配置されＬＥＤチップ１０３からの光を効率よく散乱・拡散反射できるものであればよい。具体的には、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化チタン、酸化亜鉛、金属片や種々の蛍光体など光散乱・拡散性の無機部材が挙げられる。さらには、無機部材に変えてメラミン樹脂、ＣＴＵグアナミン樹脂やベンゾグアナミン樹脂などの有機樹脂を利用することもできる。
【００２２】
光散乱・拡散性の無機部材が含有される樹脂としては、ＬＥＤチップ１０３からの光に対して透光性が高く、拡散材、透光性封止材１０２及びパッケージ１０７との密着性及び耐熱性が高いことが望ましい。このような樹脂として、具体的にはシリコーン系、エポキシ系やアクリル系樹脂などが好適に用いられる。光散乱層１０１は、あらかじめＬＥＤチップ１０３が配置されたパッケージ１０７の凹部に流し込み硬化させることで比較的簡単に形成させることができる。光散乱層１０１を構成する樹脂の粘度を低くするとパッケージ１０７の凹部内に広がり易い。そのため、パッケージ１０７の底面だけでなくパッケージの凹部を構成する側面やＬＥＤチップ１０３の側面まで這い上がる。
【００２３】
窒化物半導体を利用したＬＥＤチップ１０３は、発光層の端面から放出される光が多いため、端面から放出される光を有効よく利用することは特に大きな効果がある。パッケージ１０７底面からのＬＥＤチップ１０３の発光層の高さが光散乱層１０１の厚みよりも高ければ、端面から放出される光は有効に放出される。その後、透光性樹脂１０２と外部との界面で全反射した光などが光散乱層で等方的に放出される。
【００２４】
また、光散乱層が部分的には這い上がってＬＥＤチップの発光層を薄く覆う場合は、ＬＥＤチップ端面から等方的に放出されやすくなるためより光を有効に利用することもできる。この場合も、光散乱層の厚さは発光層の高さよりも薄くなる。この這い上がりは、光散乱層を構成する樹脂の粘度を調節することによりある程度制御することができる。このような光散乱層は、平滑なパッケージ上に光散乱層を形成させるだけの比較的簡単な構成で均一な発光を得ることができる。
【００２５】
（透光性封止材１０２）
透光性封止材１０２は、パッケージ１０７の凹部内に設けられるものであり、ＬＥＤチップ１０３からの光を効率よく外部に透過させると共に外力、塵芥などからＬＥＤチップ１０３やワイヤ１０４などを保護するものである。このような透光性封止材１０２としてはエポキシ樹脂、シリコーン樹脂やアクリル樹脂等が好適に用いられる。透光性封止材１０２中にはＬＥＤチップ１０３からの光に対してフィルター効果などを持たす為に着色染料や着色顔料で添加することができる。
【００２６】
（ＬＥＤチップ１０３）
ＬＥＤチップ１０３はＭＯＣＶＤ法や液相成長法などにより、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＩｎＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの半導体発光層を基板上に積層させることにより形成することができる。ＬＥＤチップの構造としてはＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造、ダブルへテロ構造のものが挙げられる。特に活性層を介してダブルへテロ構造のものは、活性層１０８で発生した光が活性層内を導波管の如く伝搬して活性層の端面から放出されやすい。そのため、本発明の効果が大きい。
【００２７】
同様に、窒化物半導体（Ｉｎ_XＧａ_YＡｌ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）は、結晶成長が難しく絶縁性のサファイア基板上に形成される。サファイア基板上に形成された窒化物半導体に電力を供給するためには正極及び負極を同一面側に形成せざるを得ず、オーミック接触かつ、効率的に電流を注入させるためには透光性の電極として金薄膜などが用いられる。このような電極は薄膜にして透光性を持たせているものの金属からなるが故にＬＥＤチップの活性層で生成した光は部分的に反射される。そのため、窒化物半導体を利用したＬＥＤチップは特に端部から放出される光が多く本発明の効果が大きい。
【００２８】
このようなＬＥＤチップ１０３はパッケージ１０７上にダイボンド機器を用いてマウントすることができる。また、ＬＥＤチップ上に設けられた電極と、ワイヤ１０４等を利用して電気的に接続させることができる。
【００２９】
（パッケージ１０７）
パッケージ１０７は、ＬＥＤチップ１０３を配置させ外部からの電流をＬＥＤチップ１０３に供給するリード電極１０５が設けられたものである。このようなパッケージ１０７の具体的材料としては、セラミックス、液晶ポリマーやＰＢＴ樹脂等の絶縁性支持部材が好適に挙げられる。パッケージ１０７には、ＬＥＤチップ１０３からの光を効率よく取り出すために側壁を持ったものが好適に挙げられる。
【００３０】
樹脂によりパッケージ１０７をモールド成形させる場合は、内部に配置されるＬＥＤチップ１０３に電力を供給するリード電極１０５をインサート成形などで比較的簡単に形成することができる。リード電極１０５はニッケル等のメタライズ或いはリン青銅等の電気良導体により形成することができる。ＬＥＤチップ１０３からの光の反射性を向上させるために、リード電極１０５の表面に銀、アルミニウム、銅や金等の平滑な金属メッキを施すこともできる。ＬＥＤチップ１０３からの光を効率よく反射させるためにパッケージ１０７を構成する樹脂にチタン酸バリウムなどの白色顔料などを混合させることができる。
【００３１】
セラミックによりパッケージ１０７を構成させる場合は、セラミック焼成前の原料となるグリーンシート上に所望のパターンで高融点金属を含有した導電性ペーストを印刷する。グリーンシートを複数重ね合わせパッケージ形状にさせた後に焼成してセラミックパッケージを形成する。導電性ペーストは焼成時に樹脂成分が飛び外部との電気的接続が可能な電極層として残る。
【００３２】
なお、平滑なパッケージ底面とは、鏡面の如く一定方向から入射したＬＥＤチップ１０３からの光の大部分を特定方向に反射可能な平面を言う。このような平面上に配置されたＬＥＤチップ１０３から放出される縦方向の光は、効率よく前面に放出することができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例について詳述するが、これのみに限定されるものでないことは言うまでもない。チップタイプＬＥＤとして、青色（４７０ｎｍ）が発光可能な窒化物半導体を発光層に持ったＬＥＤチップを樹脂パッケージに配置させた。ＬＥＤチップはサファイア基板上に窒化ガリウムからなるバッファ層、ＧａＮからなるｎ型コンタクト兼クラッド層、ＧａＡｌＮからなるｐ型クラッド層、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層が積層されたものである。ｎ型コンタクト層及びｐ型クラッド層との間には単一量子井戸構造となるＩｎＧａＮ層が形成されている。サファイア基板上に形成された半導体層側から正極及び負極の電極を形成させるために窒化物半導体の一部をエッチングさせてｎ型コンタクト層を露出させてある。ｐ型コンタクト層上には金薄膜をオーミック電極として形成させてある。
【００３４】
パッケージは予め形成させたリード電極を金型内に配置させ液晶ポリマーを注入硬化させることによりモールディングさせた。形成されたパッケージは開口部の底面にリード電極の一部が露出しており、リード電極の表面、パッケージの底面及び側面はＬＥＤチップからの光を効率よく反射可能な平滑面としてある。
【００３５】
パッケージの開口部内に透光性エポキシ樹脂を用いて上述のＬＥＤチップをダイボンディング機器を用いてマウントさせた。ＬＥＤチップの各電極とパッケージ開口部内のリード電極とを金線を用いてワイヤボンディングさせ電気的に導通を取ってある。
【００３６】
光散乱層としてシリコーン樹脂１００ｇ中にチタン酸バリウム５ｇ及び青色染料を含有させたものを混合攪拌させながらパッケージ開口部内に注入させた。注入後、１５０℃３０分で硬化させて光散乱層を形成させた。形成された光散乱層の高さは、ＬＥＤチップの発光層よりも低くなっていたものの端部に薄く光散乱層が這い上がっていた。パッケージの凹部内にはエポキシ樹脂を透光性封止材として１２０℃２時間で注入硬化させてある。こうしてチップタイプＬＥＤを５００個形成して発光特性を調べた。
【００３７】
比較のために光散乱層を形成しない以外は本発明のチップタイプＬＥＤと同様にして５００個のチップタイプＬＥＤを形成させた。
【００３８】
形成されたチップタイプＬＥＤに電流を供給したところ何れも発光したものの本発明のチップタイプＬＥＤは開口部全体が青色に発光しているのに対し、本発明と比較のために形成させたチップタイプＬＥＤは、ＬＥＤチップ近傍が顕著に青く発光している。また、光散乱層を設けなかったチップタイプＬＥＤの平均発光輝度を１００として、光散乱層を設けたチップタイプＬＥＤは約２割も増して明るく検出された。これにより本発明の発光装置は極めて簡単な構成で発光出力を大幅に向上しうることが分かった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の構成により、ＬＥＤチップから直接前面に反射する反射表面と、透光性封止材により全反射された光を散乱・拡散させ効率的に外部に取り出す光散乱層とに機能分離させる。これにより発光装置からの光取りだし効率を高めるものである。また、複数の異なる発光波長を発光するＬＥＤチップをパッケージ内に配置させる場合、光散乱層により光が均一に広がるため混色性良く発光することができる。
【００４０】
上記光散乱層の実質的な厚みがＬＥＤチップの凹部底面上から発光層まで高さよりも薄いことにより、ＬＥＤチップよりの発光に影響を及ぼさずに取り出し効率のみを向上しえる。つまり、発光層の端部より放出される発光輝度を低下させることがない。また、臨界反射される光を選択して外部取りだし効率を高めることができる。
【００４１】
上記光散乱層は、ＬＥＤチップの発光色と略同一に着色してあることにより、パッケージ内においてＬＥＤチップが点状に発光することがない。つまり、非点灯時と同様に点灯時においても開口部全体にＬＥＤチップが配置されている如く発光部をより大きく観測することができる。例えば発光素子の発光波長が青色領域であるなら光散乱・拡散性の青色系顔料を光散乱層に加えることで青系色とする等、発光色に対してのみ反射率の高い色とすることもできる。この場合、発光素子の発光色と光散乱層の色を合わせておけば、発光装置の発光色を実際に発光させず目視にて容易に判別することも可能となる。
【００４２】
上記ＬＥＤチップは、ダブルへテロ構造を有する窒化物半導体からなり、上記光散乱層は、上記ＬＥＤチップの発光層の端面を被覆することが好ましい。これにより、横方向の光放出が多い発光素子の場合でも、光取りだし効率を飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるチップタイプＬＥＤの模式的断面図を示す。
【図２】本発明と比較のために示すチップタイプＬＥＤにおいて、ＬＥＤチップより臨界角以上の角度で出射された光の行路を模式的に示したものである。
【図３】本発明のチップタイプＬＥＤにおいて、ＬＥＤチップより臨界角以上の角度で出射された光の経路を模式的に示したものである。
【図４】本発明と比較のために示すチップタイプＬＥＤの模式的断面図である。
【符号の説明】
１００・・・発光装置
１０１・・・光散乱層
１０２・・・透光性封止材
１０３・・・ＬＥＤチップ
１０４・・・ワイヤ
１０５・・・リード電極
１０６・・・マウント樹脂
１０７・・・パッケージ
１０８・・・活性層
２００・・・発光装置
２０２・・・透光性樹脂
２０３・・・模式的に見たＬＥＤチップの発光点
２０８・・・臨界角以上でＬＥＤチップより出射された光
２０９・・・臨界角反射された光
２１０・・・透光性封止材で繰り返し反射される光
３０１・・・光散乱層
３０２・・・透光性樹脂
３０３・・・模式的に見たＬＥＤチップの発光点
３０８・・・臨界角以上でＬＥＤチップより出射された光
３０９・・・臨界角反射された光
３１０・・・拡散及び反射して半球状に放射される光
３１１・・・ＬＥＤチップから真下方向に向かう光
４００・・・発光装置
４０２・・・透光性封止材
４０３・・・ＬＥＤチップ
４０４・・・金線
４０５・・・リード電極
４０６・・・ダイボンド樹脂
４０７・・・パッケージ

Claims

リード電極を備えたパッケージと、該パッケージの凹部の底面に配されたＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップからの光を散乱させる光散乱層とを有する発光装置において、
前記光散乱層は、光散乱材が含有された樹脂からなり、前記凹部にて露出されたリード電極の表面および前記凹部の底面から側面にかけて、前記底面から前記ＬＥＤチップの発光層までの高さよりも薄い厚みで配されていることを特徴とする発光装置。
前記ＬＥＤチップは、ダブルへテロ構造を有し、前記光散乱層は、さらに前記ＬＥＤチップの端面を被覆する請求項１に記載の発光装置。
前記光散乱層は、前記ＬＥＤチップの発光色と略同一に着色してある請求項１または２に記載の発光装置。
前記光散乱材は、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化亜鉛、金属片あるいは蛍光体から選択される少なくとも一種である請求項１乃至３に記載の発光装置。
前記光散乱材は、メラミン樹脂、グアナミン樹脂あるいはベンゾグアナミン樹脂から選択される少なくとも一種である請求項１乃至３に記載の発光装置。